用高功率二極管激光器進行塑料焊接

高功率二極管激光器在許多應用領域都確立了其地位，例如：焊接聚合物，淬火，激光上釉，熱傳導焊，表面熔覆，和釬焊過程。由于其模塊化的裝置設計，多用途的二極管激光器能夠輸出幾乎各種外形的激光光束。直線或者矩形的焦點最適合于大面積的聚合物焊接，以及實現多束激光的設計方案。而圓形的激光則被用來進行其他的塑料焊接，這些應用要求很高的靈活性和可靠性。

作為傳統的塑料焊接方法(比如超聲波焊接，振動焊接，或者熱工具焊接)的備選方案，二極管激光結合振鏡掃描系統可以被用來焊接絕大多數的熱塑性塑料。使用這項技術，熱塑性塑料可以被快速而可靠的進行焊接，而且不受焊接區域的尺寸和分布的限制。同時，還可以避免對電學元件和觸針的破壞。與超聲波焊接相比，這里對零件尺寸沒有限制，而且可以對“軟/硬”聚合物組合進行焊接(如圖1)。此外，焊接火花小，而且不會有毛刺。

圖1. 使用二極管激光器來焊接軟/硬聚

合物組合，它被用于液體罐裝系統。

目前，二極管激光器提供了最先進的解決方案，被用于大規模生產耐壓的集裝箱焊縫，進行電子元件封裝，生產汽車零部件和金屬薄片。

生產率的提高

使用具有更高功率的二極管激光器可以用更快的加工速度來進行塑料焊接，從而得到更高的生產率。

利用二極管激光器進行塑料焊接的實驗表明，對于特定的材料組合，顏色和材料厚度，能量的線性要求幾乎不變。激光能量加倍意味著焊接塑料零件的時間減半。這個關系在很大的加工參數范圍內都適用，它僅受到吸收特性和聚合材料熱效應的限制，即：如果線性能量太高，頂部透明的材料開始吸收能量，并且可能被破壞。另一方面，如果線性能量太低，在高速加工過程中，激光束與加工區域的相互作用可能導致焊接性能不夠好。

圖2是應用的實例，使用了波長250 nm的激光來焊接電子元件的外殼。材料是鏷（PA），厚度為1 mm。使用激光穿透焊時，必須保證焊接的零件其中一個對于該激光波長來說是透明的。另一個零件必須吸收激光能量以保證將激光輻射能變為熱能。這樣，激光輻射的吸收只在邊界區域進行。兩個零件被壓在一起，熱能的輸入與傳導使得兩種材料都被熔化。在熔融的聚合物固化后，兩個零件就被連接到一起了。

圖2. 二極管激光器被用來

焊接電子元件的外殼。

使用Laserline公司的DioScan(如圖3)二極管激光器系統的準同步焊接加工方法被用在這個加工過程中。掃描裝置被連接到二極管激光器的輸出處，它能夠快速且重復的將激光光束定位在工件的焊接外形，從而能夠對焊接區域進行合適的加熱。

圖3. 結合了二極管激光器與掃描器

的系統被用來進行準同步焊接

將二極管激光器系統和掃描頭相結合所進行的實驗給出了激光功率和生產率之間的關系，這里激光能量范圍在80到350 W。

這里使用了功率為160 W，掃描速率為1.5 m/s的激光，在10 s內有60個通路經過，從而得到該焊接形狀。可以利用更高的激光能量來降低加工時間：輸出為350 W時，可以以3.3 m/s的焊接速度來得到給定的焊縫。與焊接速度較低的情況相比，焊接質量幾乎不變。在這種情況下，線性能量只改變了一點點，但是，總的焊接時間降低到小于5 s(如圖4)。總的來說，使用更高的激光功率是可以提高生產率的。

圖4. 激光功率級別的提高使得

生產率的提高成為可能。

要利用這一關系必須具有靈活的高功率激光源，這樣焊接速度才能得到增加。通常，用于焊接塑料的系統是直接或者光纖耦合的二極管激光器，這種情況下，激光束只對焊縫進行一次加工。在同步焊接中使用了多重激光器系統，這樣幾路激光同時對一個零件進行加工。

多重激光器系統和單重激光系統的優點可以被結合到類似DioScan的系統中。在毫秒量級內，兩塊鏡片可將激光光束引到工作區域 (10 英寸x 10 英寸) 內的任何一點上。焦斑尺寸以及相應的焊縫寬度可縮小到0.02英寸。這個系統使得焊接輪廓和形狀可以有更大的靈活性，需要的話，還可以實現很大的焊接尺寸。高達1000 W的激光功率可以實現很高的焊接速度，同時可以很快的適用于新而復雜的焊接外形，而不需要對零件或者激光頭進行任何機械操作。

主要的應用領域在于輪廓焊接和準同步焊接。與其他方法，如超聲波焊接相比，其優勢在于零件不會變形，以及對易碎零件焊接時無需接觸。

即使不使用三維掃描頭，也可以使得零件的焊縫不在同一個平面內。這是利用了場的有效深度，尤其是利用長焦距的特性。即使是使用了相對短的焦距范圍 (f=163 nm) ，場深(焦斑直徑變化小于10%范圍)仍然可以達到15 mm。這樣，不平整的，或者說波動范圍在焦平面15 mm內的工件可以得到一樣的結果。焦深更長的情況下，容差可以更大。對許多不平整和三維零件的實驗證實了這個結果。

靈活，經濟，可升級

總的來說，二極管激光器對塑料非接觸式而快速的焊接過程為取代傳統塑料焊接方法提供了一個靈活而且無磨損的方法：振動焊接需要堅硬且昂貴的工具，熱圓盤焊接僅僅適用于大型零件。二極管激光器加工時間短，能量分布集中，這就降低了對塑料零件的破壞。在焊接過程中，工件上高度靈敏的電路并不會被破壞。通過合理的選擇材料和顏色可以避免或控制連接處的焊接飛濺。大量材料和顏色的不同組合都可以被焊接而得到所需的連接強度。

二極管激光器的特點在于其效率和簡潔的設計。它們的高效率帶來了低投資和低成本。二極管激光器的正常運轉時間很長的特性已經在很多大規模應用中得到證實。最近的發展，例如，快門時間變短，堆棧管理更合理，它們進一步提高了激光的正常工作時間(已超過99%)。

帶掃描頭的二極管激光器已經被成功的應用于自動化大規模生產，包括傳感器外殼、集裝箱、電子元件、儲液箱和液壓零件等。在醫療設備工業，它們被用來焊接金屬薄膜和液體容器。

在激光功率更高的情況下，生產率得到了提高。這對于焊縫很長的應用情況尤為實用。比如，在焊縫長度加倍的情況下，只要激光功率加倍就能夠以同樣的加工時間完成焊接。由于模塊化的設計，二極管激光器的功率容易進行調整，以完成新的任務或實現新的功能。由于這項性能，在提高生產率的同時，不需要對整個設備進行大調整。